JP6352153B2 - 燃料電池用水分検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１電極と第２電極との間に電解質膜を挟持するとともに、前記第１電極の第１電極触媒層と前記第２電極の第２電極触媒層とが異なる外形寸法に設定される電解質膜・電極構造体の水分を検出する燃料電池用水分検出装置に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり（フラッディング）が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜の性能低下が惹起されるからである。従って、燃料電池を構成するカソード電極及びアノード電極の含水量を良好に制御することが重要である。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１７に示すように、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段１と、インピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて、該燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段２とを備えている。そして、測定されたインピーダンス又は推定された含水量は、燃料電池の環境温度に基づいて、インピーダンス温度補正手段３により補正されている。

これにより、燃料電池本体の周囲条件（例えば、環境温度、ガス圧力）がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で、燃料電池の含水量を推定することができる、としている。

特開２００８−８４６０１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、インピーダンス計測と含水量計測との相関性に基づいて、燃料電池の運転制御を行うものである。このため、装置全体が相当に複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体の水分量を高精度に検出することが可能な燃料電池用水分検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用水分検出装置では、電解質膜・電極構造体は、第１電極と第２電極との間に電解質膜を挟持している。第１電極を構成する第１電極触媒層の外形寸法は、電解質膜の外形寸法及び第２電極を構成する第２電極触媒層の外形寸法よりも小さな寸法に設定されている。

この燃料電池用水分検出装置は、第１電極触媒層の外周端部を含んで前記外周端部の内側から該外周端部の外側に至る領域に配置される複数個の電位センサと、制御部とを備えている。制御部は、各電位センサの出力値から前記領域内の位置と電位との関係を示す電位曲線を求め、基準となる電位曲線の電位の中間位置に設定された基準位置に対する、求めた電位曲線のシフト量に基づいて、電位曲線と水分量との関係を示す校正曲線を参照し、電解質膜・電極構造体の水分量を検出している。

また、この燃料電池用水分検出装置では、第１電極は、カソード電極であるとともに、第２電極は、アノード電極であり、制御部は、前記カソード電極の単極電位に基づいて水分量を検出することが好ましい。

さらに、この水分検出装置では、第１電極は、アノード電極であるとともに、第２電極は、カソード電極であり、制御部は、前記アノード電極の単極電位に基づいて水分量を検出することが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられている複数個の電位センサからの出力（電位）により、電位曲線を求めるだけで、前記電解質膜・電極構造体の水分量を容易且つ確実に検出することができる。しかも、複数個の電位センサは、第１電極触媒層の外周端部を含んで前記外周端部の内側から該外周端部の外側に至る領域に配置されている。従って、制御部は、電位曲線の基準位置に基づいて、電解質膜・電極構造体の水分量の微細な変化を精度よく検出することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体の水分量を高精度に検出することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置が組み込まれる燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体に組み込まれる電位センサの正面図である。 前記電位センサの断面側面図である。 電位と含水量との関係説明図である。 測定された電位曲線とカソード電極の位置との湿度による関係説明図である。 別の電位センサの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の斜視説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 測定された電位曲線とアノード電極の位置との湿度による関係説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置が組み込まれる電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。 他の水分検出装置の斜視説明図である。 前記水分検出装置の平面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御部の構成図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置１０は、燃料電池１２に組み込まれる。燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１４が、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８に挟持されて矢印Ａ方向（例えば、水平方向）又は矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層される。燃料電池１２は、複数積層されることにより、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池スタックを構成する。

カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタニウム（Ｔｉ）板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板で構成される。なお、カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、カーボン部材等で構成されてもよい。

図１及び図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するアノード電極（第２電極）２２及びカソード電極（第１電極）２４とを備える。固体高分子電解質膜２０としては、例えば、フッ素系電解質、又は、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

図２に示すように、アノード電極２２は、固体高分子電解質膜２０の一方の面２０ａに接合されるアノード電極触媒層（第２電極触媒層）２２ａと、前記アノード電極触媒層２２ａに積層されるアノードガス拡散層２２ｂとを有する。カソード電極２４は、固体高分子電解質膜２０の他方の面２０ｂに接合されるカソード電極触媒層（第１電極触媒層）２４ａと、前記カソード電極触媒層２４ａに積層されるカソードガス拡散層２４ｂとを有する。

アノード電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がアノードガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。カソード電極触媒層２４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がカソードガス拡散層２４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。アノードガス拡散層２２ｂ及びカソードガス拡散層２４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。アノード電極触媒層２２ａ及びカソード電極触媒層２４ａは、例えば、固体高分子電解質膜２０の両面に形成される。

アノード電極触媒層２２ａの外周端部２２ａｅ及びアノードガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅと同一位置に配置される。カソード電極触媒層２４ａの外周端部２４ａｅ及びカソードガス拡散層２４ｂの外周端部２４ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅよりも内方位置に且つ互いに同一位置に配置される。

カソード電極触媒層２４ａの外形寸法は、固体高分子電解質膜２０の外形寸法及びアノード電極触媒層２２ａの外形寸法よりも小さな寸法に設定される。具体的には、アノード電極触媒層２２ａの外形寸法は、カソード電極触媒層２４ａの外形寸法よりも５ｍｍ以下だけ大きく設定される。なお、アノードガス拡散層２２ｂの外形寸法は、カソードガス拡散層２４ｂの外形寸法よりも大きな寸法に設定されているが、同一の寸法又は大小が逆の寸法に設定されてもよい。

電解質膜・電極構造体１４は、固体高分子電解質膜２０の外周を周回する樹脂製枠部材２６を備える。樹脂製枠部材２６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変成ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。なお、電解質膜・電極構造体１４は、樹脂製枠部材２６を用いない構成であってもよい。

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔３０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３２ｂが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び冷却媒体出口連通孔３２ｂは、それぞれ１つであってもよい。

カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。アノード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８は、水平方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。なお、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向は、特に限定されるものではなく、入口と出口とが反対でもよい。

カソード側セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂと、アノード側セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０は、鉛直方向下方（鉛直方向上方でもよい）に向かって冷却媒体を流通させる。

カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。アノード側セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２に示すように、水分検出装置１０は、カソード電極触媒層２４ａの外周端部２４ａｅを含んで前記外周端部２４ａｅの内側から該外周端部２４ａｅの外側に至る領域Ｓに配置される複数個の電位センサ４６を備える。具体的には、外周端部２４ａｅの内側に位置し、カソード電極触媒層２４ａとカソードガス拡散層２４ｂとの間に配置される複数個（例えば、３個）の電位センサ４６を有する。さらに、外周端部２４ａｅの外方に位置し、固体高分子電解質膜２０の面２０ｂの外周縁部に配置される複数個（例えば、２個）の電位センサ４６を有する。センサ個数は、限定されるものではなく、必要とされる個数を任意に設置すればよい。

水分検出装置１０は、好ましくは、アノード電極触媒層２２ａに複数個の電位センサ４６を設けてもよい。アノード電極触媒層２２ａには、領域Ｓの範囲内に、すなわち、カソード側と同様に、複数個（例えば、５個）の電位センサ４６が前記アノード電極触媒層２２ａとアノードガス拡散層２２ｂとの間に配置される。電位センサ４６は、樹脂製枠部材２６で被覆されているが、この樹脂製枠部材２６により被覆されていなくてもよい。

複数個の電位センサ４６は、前記電位センサ４６の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ４６の電位勾配を用いることができる。なお、電位センサ４６は、アノード側とカソード側との両方に設けてもよいが、第１の実施形態では、少なくともカソード側に設けられる（カソード側の単極電位の計測）。

電解質膜・電極構造体１４には、図示しないが、参照電極が設けられる。参照電極は、アノード側に設けられる。なお、アノード側及びカソード側にそれぞれ電極を対向して配置し、動的水素電極（以下「ＤＨＥ」と記す）を構成してもよい。

電位センサ４６は、電解質膜・電極構造体１４の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置される。図１に示すように、電位センサ４６は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔３０ｂの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの近傍に配置される。

一方、電位センサ４６は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔３０ａの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔２８ａの近傍に配置される。なお、電位センサ４６は、電解質膜・電極構造体１４の水分含有量が最も多い領域又は最も少ない領域にのみ配置してもよい。但し、電位センサ４６の配置位置は、特に限定されるものではない。

図３及び図４に示すように、電位センサ４６は、例えば、参照電極（又はアノード電極２２、好ましくは、前記アノード電極２２の中央部分）との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部４８ａを有するシート状又は線状の導電性端子（電位測定電極）４８を備える。導電性端子４８は、基材５０にシート状の絶縁部材５２を介して固定される。

基材５０は、導電性端子４８の長さ方向に略同一の長さを有する一方、前記導電性端子４８の幅方向に該導電性端子４８よりも幅広に構成される。絶縁部材５２は、導電性端子４８の長さよりも短尺に構成され、前記導電性端子４８の計測部４８ａが外部に露呈する。計測部４８ａの厚さ方向は、絶縁部材５２の厚さよりも大きな寸法に設定され、前記計測部４８ａの計測面が、前記絶縁部材５２の外面よりも外方（端面の前側）に突出する。

導電性端子４８は、耐酸性及び耐熱性を有する、例えば、薄膜状又は線状の金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等により形成される。導電性端子４８の端部には、導電ライン５４の一端が接続される。導電ライン５４の他端は、後述する制御部５６に接続される（図１参照）。

基材５０及び絶縁部材５２は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）やポリイミド等が好適である。

図１に示すように、水分検出装置１０を構成する制御部５６は、各電位センサ４６の出力値から得られた電位曲線（後述する）の基準位置に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の水分量を検出する。

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に流通し、電解質膜・電極構造体１４のカソード電極２４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａからアノード側セパレータ１８の燃料ガス流路３８に導入される。この燃料ガス流路３８では、燃料ガスが矢印Ｂ方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体１４のアノード電極２２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層２４ａ及びアノード電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１６とアノード側セパレータ１８との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

上記のように、燃料電池１２が発電運転している際、制御部５６では、各電位センサ４６により検出された電位が入力されており、検出された電位は、例えば、温度補正、圧力補正及び湿度補正されて補正電位が得られる。そして、図５に示すように、予め設定された電位と固体高分子電解質膜２０の含水量との相関性から、入力された補正電位を用いて演算処理することにより、含水量が推定される。

さらに、図２に示すように、カソード電極触媒層２４ａの外周端部２４ａｅを含んで前記外周端部２４ａｅの内側から該外周端部２４ａｅの外側に至る領域Ｓには、複数個の電位センサ４６が配置されている。このため、カソード電極２４側では、図６に示すように、各電位センサ４６により検出された電位から、カソード電極端前後、すなわち、カソード電極触媒層２４ａの外周端部２４ａｅの内側から外側に亘って連続する電位曲線Ｌｃａが得られる。

電位曲線Ｌｃａは、電解質膜・電極構造体１４の水分量の変化によって位置（外周端部２４ａｅからの位置）や電位が変化している。このため、電位曲線Ｌｃａは、水分量の変化に伴って、図６中、左右や上下にシフトしている。そこで、電位曲線Ｌｃａの基準位置Ｐｃａを設定し、前記基準位置Ｐｃａの変化量に基づいて、電解質膜・電極構造体１４の水分量を検出している。基準位置Ｐｃａは、例えば、電位の中間位置等に設定されるが、該電位の値は限定されない。その際、予め電位曲線Ｌｃａと水分量との校正曲線を求めておくことが好ましい。

このように、電解質膜・電極構造体１４の水分量が検出されると、この水分量に応じて前記電解質膜・電極構造体１４の乾燥処理又は加湿処理が遂行される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１４の外周縁部に設けられている複数個の電位センサ４６からの出力（電位）を検出するだけで、電位曲線Ｌｃａに基づいて、前記電解質膜・電極構造体１４の水分量を容易且つ確実に検出することができる（図６参照）。

しかも、複数個の電位センサ４６は、カソード電極触媒層２４ａの外周端部２４ａｅを含んで前記外周端部２４ａｅの内側から該外周端部２４ａｅの外側に至る領域Ｓに配置されている。従って、制御部５６は、電位曲線Ｌｃａの基準位置Ｐｃａに基づいて、電解質膜・電極構造体１４の水分量の微細な変化を精度よく検出することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体１４の水分量を高精度に検出することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、電位センサ４６を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示す電位センサ４６ａを使用することができる。

電位センサ４６ａでは、導電性端子４８を基材５０と絶縁部材５２ａとを介して固定する。絶縁部材５２ａは、基材５０と同一の長さを有しており、一端縁部には、導電性端子４８の計測部４８ａを外部に露呈させる開口部５２ｂが形成される。このように、構成される電位センサ４６ａは、上記の電位センサ４６と同様の作用効果を有する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置１０ａが組み込まれる電解質膜・電極構造体６０の斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る水分検出装置１０及び電解質膜・電極構造体１４と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子電解質膜２０をアノード電極（第１電極）６２及びカソード電極（第２電極）６４で挟持する。図９に示すように、アノード電極６２は、固体高分子電解質膜２０の一方の面２０ａに接合されるアノード電極触媒層（第１電極触媒層）６２ａと、前記アノード電極触媒層６２ａに積層されるアノードガス拡散層６２ｂとを有する。カソード電極６４は、固体高分子電解質膜２０の他方の面２０ｂに接合されるカソード電極触媒層（第２電極触媒層）６４ａと、前記カソード電極触媒層６４ａに積層されるカソードガス拡散層６４ｂとを有する。

カソード電極触媒層６４ａの外周端部６４ａｅ及びカソードガス拡散層６４ｂの外周端部６４ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅと同一位置に配置される。アノード電極触媒層６２ａの外周端部６２ａｅ及びアノードガス拡散層６２ｂの外周端部６２ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅよりも内方位置に且つ互いに同一位置に配置される。

アノード電極触媒層６２ａの外形寸法は、固体高分子電解質膜２０の外形寸法及びカソード電極触媒層６４ａの外形寸法よりも小さな寸法に設定される。具体的には、カソード電極触媒層６４ａの外形寸法は、アノード電極触媒層６２ａの外形寸法よりも５ｍｍ以下だけ大きく設定される。なお、カソードガス拡散層６４ｂの外形寸法は、アノードガス拡散層６２ｂの外形寸法よりも大きな寸法に設定されているが、同一の寸法に設定されてもよい。

水分検出装置１０ａは、アノード電極触媒層６２ａの外周端部６２ａｅを含んで前記外周端部６２ａｅの内側から該外周端部６２ａｅの外側に至る領域Ｓに配置される複数個の電位センサ４６ａを備える。水分検出装置１０ａは、好ましくは、カソード電極触媒層６４ａに複数個の電位センサ４６ａを設けてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、アノード電極触媒層６２ａの外周端部６２ａｅを含んで前記外周端部６２ａｅの内側から該外周端部６２ａｅの外側に至る領域Ｓには、複数個の電位センサ４６ａが配置されている。従って、図１０に示すように、アノード側では、各電位センサ４６ａにより検出された電位から、アノード電極端前後、すなわち、アノード電極触媒層６２ａの外周端部６２ａｅの内側から外側に亘って連続する電位曲線Ｌａｎが得られる。

電位曲線Ｌａｎは、電解質膜・電極構造体６０の水分量の変化によって位置（外周端部６２ａｅからの位置）や電位が変化している。このため、電位曲線Ｌａｎは、水分量の変化に伴って、図１０中、左右や上下にシフトしている。そこで、電位曲線Ｌａｎの基準位置Ｐａｎを設定し、前記基準位置Ｐａｎの変化量に基づいて、電解質膜・電極構造体６０の水分量を検出している。基準位置Ｐａｎは、例えば、電位の中間位置等に設定される。その際、予め電位曲線Ｌａｎと水分量との校正曲線を求めておくことが好ましい。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体６０の水分量を高精度に検出することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置１０ｂが組み込まれる電解質膜・電極構造体８０の正面説明図である。

図１１及び図１２に示すように、電解質膜・電極構造体８０は、固体高分子電解質膜２０をアノード電極８２及びカソード電極８４で挟持する。アノード電極８２は、固体高分子電解質膜２０と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜２０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極８２は、カソード電極８４よりも大きな平面寸法に設定される。

図１１に示すように、アノード電極８２の四隅には、切り欠き部８６が形成される。各切り欠き部８６では、積層方向に対して、カソード電極８４の外周端部位置が、アノード電極８２の外周端部位置よりも外方に突出する。なお、切り欠き部８６の形状は、特に限定されるものではない。各切り欠き部８６に対応して水分検出装置１０ｂが設置される。

図１２に示すように、切り欠き部８６において、カソード電極触媒層８４ａの外周端部８４ａｅとカソードガス拡散層８４ｂの外周端部８４ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅより内方に且つ同一位置に配置される。アノード電極触媒層８２ａの外周端部８２ａｅ及びアノードガス拡散層８２ｂの外周端部８２ｂｅは、カソード電極触媒層８４ａの外周端部８４ａｅよりも内方位置に且つ互いに同一位置に配置される。

水分検出装置１０ｂは、アノード電極触媒層８２ａの外周端部８２ａｅを含んで前記外周端部８２ａｅの内側から該外周端部８２ａｅの外側に至る領域に配置される複数個の電位センサ４６ｂを備える。水分検出装置１０ｂは、カソード電極触媒層８４ａの外周端部８４ａｅを含んで前記外周端部８４ａｅの内側から該外周端部８４ａｅの外側に至る領域に配置される複数個の電位センサ４６ｂを備える。

このように構成される第３の実施形態では、アノード側及びカソード側における電解質膜・電極構造体８０内部の微細な湿度変化を精度よく検出することができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用水分検出装置１０ｃが組み込まれる電解質膜・電極構造体９０の正面説明図である。

図１３及び図１４に示すように、電解質膜・電極構造体９０は、固体高分子電解質膜２０をアノード電極９２及びカソード電極９４で挟持する。カソード電極９４は、固体高分子電解質膜２０と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜２０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極９４は、アノード電極９２よりも大きな平面寸法に設定される。

図１３に示すように、カソード電極９４の四隅には、切り欠き部９６が形成される。各切り欠き部９６では、積層方向に対して、アノード電極９２の外周端部位置が、カソード電極９４の外周端部位置よりも外方に突出する。なお、切り欠き部９６の形状は、特に限定されるものではない。各切り欠き部９６に対応して水分検出装置１０ｃが設置される。

図１４に示すように、切り欠き部９６において、アノード電極触媒層９２ａの外周端部９２ａｅとアノードガス拡散層９２ｂの外周端部９２ｂｅは、固体高分子電解質膜２０の外周端部２０ｅより内方に且つ同一位置に配置される。カソード電極触媒層９４ａの外周端部９４ａｅ及びカソードガス拡散層９４ｂの外周端部９４ｂｅは、アノード電極触媒層９２ａの外周端部９２ａｅよりも内方位置に且つ互いに同一位置に配置される。

水分検出装置１０ｃは、アノード電極触媒層９２ａの外周端部９２ａｅを含んで前記外周端部９２ａｅの内側から該外周端部９２ａｅの外側に至る領域に配置される複数個の電位センサ４６ｃを備える。水分検出装置１０ｃは、カソード電極触媒層９４ａの外周端部９４ａｅを含んで前記外周端部９４ａｅの内側から該外周端部９４ａｅの外側に至る領域に配置される複数個の電位センサ４６ｃを備える。

このように構成される第４の実施形態では、アノード側及びカソード側における電解質膜・電極構造体９０内部の微細な湿度変化を精度よく検出することができ、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第３及び第４の実施形態では、アノード側又はカソード側の一部を切り欠いて第１電極触媒層の端部位置と第２電極触媒層の端部位置とを積層方向に異なる位置に配置しているが、これに限定されるものではない。少なくとも第１電極触媒層の外形寸法が第２電極触媒層の外形寸法よりも小さな寸法に設定されていればよく、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層との寸法の大小等は、種々選択することができる。

なお、第１〜第４の実施形態では、それぞれ単独の電位センサ４６、４６ａ〜４６ｃを有する水分検出装置１０、１０ａ〜１０ｃが用いているが、これに代えて、図１５及び図１６に示す水分検出装置１００を採用してもよい。

水分検出装置１００は、ＤＨＥ部１０２と、複数個の電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０とを備える。ＤＨＥ部１０２は、参照電極としてアノード側及びカソード側（又は、カソード側及びアノード側）に配置される一対の電極部１０２ａ、１０２ｂを有する。ＤＨＥ部１０２と、電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０とは、左右逆でもよい。

電極部１０２ａ及び電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０は、絶縁性の基材１０３ａに一体に設けられるとともに、電極部１０２ｂは、絶縁性の基材１０３ｂに一体に設けられる。なお、電極部１０２ａは、基材１０３ａとは別体の基材に設けて分離構成しもよい。図１５に示すように、基材１０３ｂは、電極部１０２ｂ側とは反対側の端部が基材１０３ａに固定（接着）又は溶着され、電極部１０２ａ、１０２ｂが互いに離間して配置される。なお、基材１０３ａ、１０３ｂは、互いに分離して構成されていてもよく、また、単一の基材を使用して電極部１０２ａ、１０２ｂ間に位置して折り曲げて構成することも可能である。

電極部１０２ａには、２本の導線ライン１１６ａ、１１６ｂが接続されるとともに、電極部１０２ｂには、１本の導線ライン１１８が接続される。なお、電極部１０２ａがカソード側に配置される際に、この電極部１０２ａには１本の導線ライン１１８が接続される一方、アノード側に配置される電極部１０２ｂには、２本の導線ライン１１６ａ、１１６ｂが接続される。導線ライン１１６ａ、１１６ｂ及び１１８は、絶縁性カバー１２０により覆われており、先端の電極部のみが外部に露呈する。

電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０は、例えば、薄膜状又は細線状の金（Ａｕ）により形成されるとともに、前記電位センサ１０４から前記電位センサ１１０に向かって、順次、短尺に構成される。電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０は、一方の端部側に厚さ方向に突出する計測部１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ及び１１０ａを有する。

電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０は、基材１０３ａと絶縁シート１１２とに覆われる。絶縁シート１１２には、計測部１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ及び１１０ａを外部に突出させる開口部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ及び１１２ｄが形成される。電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０の下端部に導線ライン１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ及び１１４ｄが接続される。

このように構成される水分検出装置１００では、複数個の電位センサ１０４、１０６、１０８及び１１０が一体化されるため、前記水分検出装置１００全体をコンパクト且つ経済的に構成することが可能になる。

１０、１０ａ〜１０ｃ、１００…水分検出装置
１２…燃料電池
１４、６０、８０、９０…電解質膜・電極構造体
１６…カソード側セパレータ １８…アノード側セパレータ
２０…固体高分子電解質膜 ２２、６２、８２、９２…アノード電極
２２ａ、６２ａ、８２ａ、９２ａ…アノード電極触媒層
２２ａｅ、２４ａｅ、６２ａｅ、６４ａｅ、８２ａｅ、８４ａｅ、９２ａｅ、９４ａｅ…外周端部
２２ｂ、６２ｂ、８２ｂ、９２ｂ…アノードガス拡散層
２４、６４、８４、９４…カソード電極
２４ａ、６４ａ、８４ａ、９４ａ…カソード電極触媒層
２４ｂ、６４ｂ、８４ｂ、９４ｂ…カソードガス拡散層
２８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路
４６、４６ａ〜４６ｃ、１０４、１０６、１０８、１１０…電位センサ
８６、９６…切り欠き部 １０２…ＤＨＥ部

Claims (3)

1. 第１電極と第２電極との間に電解質膜を挟持するとともに、前記第１電極を構成する第１電極触媒層の外形寸法は、前記電解質膜の外形寸法及び前記第２電極を構成する第２電極触媒層の外形寸法よりも小さな寸法に設定される電解質膜・電極構造体の水分を検出する燃料電池用水分検出装置であって、
   前記第１電極触媒層の外周端部を含んで前記外周端部の内側から該外周端部の外側に至る領域に配置される複数個の電位センサと、
   各電位センサの出力値から前記領域内の位置と電位との関係を示す電位曲線を求め、基準となる電位曲線の電位の中間位置に設定された基準位置に対する、求めた前記電位曲線のシフト量に基づいて、電位曲線と水分量との関係を示す校正曲線を参照し、前記電解質膜・電極構造体の水分量を検出する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用水分検出装置。
2. 請求項１記載の水分検出装置において、前記第１電極は、カソード電極であるとともに、前記第２電極は、アノード電極であり、
   前記制御部は、前記カソード電極の単極電位に基づいて前記水分量を検出することを特徴とする燃料電池用水分検出装置。
3. 請求項１記載の水分検出装置において、前記第１電極は、アノード電極であるとともに、前記第２電極は、カソード電極であり、
   前記制御部は、前記アノード電極の単極電位に基づいて前記水分量を検出することを特徴とする燃料電池用水分検出装置。
   

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